光纖通信用半導(dǎo)體激光器

國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局電學(xué)部半導(dǎo)體一處 高銘潔

光纖通系統(tǒng)中大部分用到的光源就是半導(dǎo)體激光器，但是在不同的層次和結(jié)構(gòu)的光纖通信系統(tǒng)中所需要的半導(dǎo)體激光器類(lèi)型也大不一樣。本文主要內(nèi)容是先介紹光纖通信的發(fā)展趨勢(shì)，然后通過(guò)介紹幾種較為典型的光纖通信用半導(dǎo)體激光器件，比如研究法布里-珀羅激光器，分布反饋半導(dǎo)體激光器，垂直腔面發(fā)射激光器等一些比較典型且常用的半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)和發(fā)展方向，基于此對(duì)本文內(nèi)容做出總結(jié)，對(duì)光纖通信用半導(dǎo)體激光器未來(lái)的發(fā)展提出一些展望。

一、光纖通信的發(fā)展趨勢(shì)

光纖通信近些年在我國(guó)發(fā)展迅速，尤其是光纖通信在信息傳遞上面發(fā)揮了極大的作用之后，慢慢的走上了正規(guī)化和國(guó)際化發(fā)展道路。互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)過(guò)最近幾十年的爆炸性普遍應(yīng)用之后，其速率和容量也在慢慢穩(wěn)定下來(lái)，逐漸趨于一個(gè)相對(duì)合理的緩慢的增長(zhǎng)狀態(tài)。為了讓傳統(tǒng)的電話(huà)網(wǎng)絡(luò)和新的有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)形成一個(gè)更加完整和全面的信息網(wǎng)絡(luò)，光纖通信系統(tǒng)是作為目前信息傳遞最為有效的方式之一。

光纖通信系統(tǒng)在信息傳遞方面發(fā)揮著不可或缺的作用，要想它能夠保證信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性和有效性，必須要滿(mǎn)足以下幾個(gè)條件。首先，主要的光纖通信線(xiàn)路要能傳輸足夠遠(yuǎn)的距離，并且傳輸速率快、傳輸容量大等等；其次，在接入到用戶(hù)家中的光纖通信需要盡量降低使用成本，保證盡可能多的家庭能夠負(fù)擔(dān)得起，并且在接入的所有用戶(hù)家中都要有足夠的接入寬帶；最后，目前光纖通信系統(tǒng)主要還是依靠一對(duì)一的傳輸，傳輸容量還可以通過(guò)一些手段來(lái)提高。所以，很多光通信傳輸?shù)臅r(shí)候會(huì)提出各種不同的要求，需要根據(jù)具體的要求來(lái)采取不同的半導(dǎo)體激光器。比如在一些發(fā)達(dá)城市的城市建設(shè)中，要求光纖通信的傳輸距離較短，一次性傳輸?shù)男畔⒘看蟮忍攸c(diǎn)，這個(gè)時(shí)候使用的是直接調(diào)制的分布反饋半導(dǎo)體激光器來(lái)達(dá)到要求。在城市之間的干線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)中，因?yàn)橐M(jìn)行遠(yuǎn)距離、快速率、大容量地傳輸，就目前而言，這些年雖然我國(guó)的快速率的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)玫搅碎L(zhǎng)足的進(jìn)步，但高速率以及大容量的傳輸條件相對(duì)苛刻，就目前我國(guó)大多的激光器都不能達(dá)到要求。基于此，目前解決這個(gè)辦法也只能通過(guò)采用外調(diào)制器，外調(diào)制器能夠很好的解決這方面的問(wèn)題。

二、法布里-珀羅激光器

對(duì)于傳輸速率要求不是特別高的光纖通信信息技術(shù)，采用法布里-珀羅激光器較為合適。由于這種半導(dǎo)體激光器廣為應(yīng)用，并且我們國(guó)家在該半導(dǎo)體激光器有了很大的進(jìn)步，各項(xiàng)技術(shù)都已十分穩(wěn)定，所以我國(guó)普遍的采用的是這種激光器，它也成為了我國(guó)應(yīng)用最廣的光纖通信技術(shù)。

就目前而言，由于半導(dǎo)體激光器在邊界具體的條件不一樣，就出現(xiàn)了以下的三個(gè)模式問(wèn)題。第一，和半導(dǎo)體激光器輸出相同方向的縱波稱(chēng)為縱模。第二，垂直于有源層方向的模式稱(chēng)為垂直橫模。第三，平行于縱模和沿著垂直橫模方向的模式稱(chēng)為水平橫模。我們知道對(duì)于通信來(lái)說(shuō)最基本的要實(shí)現(xiàn)基橫模狀態(tài)，通過(guò)對(duì)這種半導(dǎo)體激光器的了解，我們知道該半導(dǎo)體激光器是比較容易實(shí)現(xiàn)基橫模狀態(tài)的，只需要簡(jiǎn)單的控制就可以完成，但對(duì)于實(shí)現(xiàn)縱模來(lái)說(shuō)就難以實(shí)現(xiàn)了。

目前該種半導(dǎo)體激光器主要發(fā)展方向是減少成本，由于這種半導(dǎo)體激光器自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)非常的獨(dú)一無(wú)二，我們?cè)谶M(jìn)行性能測(cè)試的過(guò)程中，這種半導(dǎo)體激光器在進(jìn)行解理之后需要對(duì)非常微小的激光器進(jìn)行操作，出現(xiàn)了很多的困難，所以是最終的生產(chǎn)率很低從而加大了成本。現(xiàn)在的目標(biāo)是要在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)盡量降低生產(chǎn)成本，比如我們可以使用等離子體來(lái)形成非常光滑的反射鏡面，從而來(lái)降低成本，提高效率。

三、分布反饋半導(dǎo)體激光器

普通結(jié)構(gòu)的分布反饋半導(dǎo)體激光器由于在高速的調(diào)制下會(huì)出現(xiàn)一個(gè)致命的問(wèn)題，那就是出現(xiàn)了多種模式工作的現(xiàn)象，我們并不希望出現(xiàn)多模工作的現(xiàn)象，因?yàn)檫@樣的話(huà)會(huì)使我們的傳輸速率大大降低，所以我們需要研發(fā)一種能在高速狀態(tài)下依然能夠保持單模工作。在該激光器里面設(shè)置一個(gè)布拉格光柵，然后通過(guò)光柵來(lái)控制縱模的選擇，從而有效使光波的反饋更加有益。在這種半導(dǎo)體激光器的諧振腔中會(huì)進(jìn)行波長(zhǎng)選擇，所以它的單色性要比一般的激光器好。

在這種半導(dǎo)體激光器中有以下的幾種方式：第一，由于這種半導(dǎo)體激光器發(fā)生的周期性變化而出現(xiàn)的反射，這種叫做折射率耦合。第二，由于散布反饋激光器增益性周期變化而出現(xiàn)的反射，叫做增益耦合。這種半導(dǎo)體激光器本身就可以自主選擇模式，在理想狀況下的我們可以得到以下的結(jié)論：在分布上激光器存在最低模式。

這種半導(dǎo)體激光器在布拉格波長(zhǎng)上也有一個(gè)相同的消耗最少的模式，這并非偶然，而是因?yàn)檫@種半導(dǎo)體激光器在原理上就是兩種模式激射的，而增益耦合分布反饋半導(dǎo)體激光器屬于單種模式激射，這是兩者根本上的不同。

四、電吸收型調(diào)制器集成光源

隨著我國(guó)對(duì)光纖通信方向上的快速進(jìn)步，干線(xiàn)傳輸?shù)娜萘看笮∫苍诓粩嗵岣摺Ｒ胩嵘ㄐ湃萘浚紫纫鉀Q的就是尋找到窄線(xiàn)寬、低啁啾的光源，這種半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)剛好滿(mǎn)足這個(gè)要求。一方面因?yàn)槭艿焦舱褡饔玫挠绊懀瑢?shí)際上激光器的工作效率受到了很大限制，從而使工作效率不能有效的提升。另一方面，半導(dǎo)體激光器因?yàn)閷?duì)于遠(yuǎn)距離傳輸有限制，所以無(wú)法滿(mǎn)足需求。基于此，我們可以通過(guò)電吸收型調(diào)制器和這種半導(dǎo)體激光器的結(jié)合，從而使最終的光信號(hào)能夠同時(shí)具有一系列優(yōu)良特點(diǎn)，從而能夠很好地滿(mǎn)足我們的所要的需求。

用于集成光源制作的外調(diào)制器主要分為兩種，干涉型調(diào)制器和電吸收型調(diào)制器。這兩種調(diào)制器相比較而言，干涉型調(diào)制器雖然對(duì)工作波長(zhǎng)不敏感且啁啾可調(diào)，但是它的制作難度較大并且器件的尺寸過(guò)大，在現(xiàn)在的行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r以及時(shí)代背景下還無(wú)法被被廣泛的使用。電吸收型調(diào)制器由于具有一系列優(yōu)勢(shì)，電吸收型調(diào)制器被廣泛的用于集成光源的制作。基于此，電吸收型調(diào)制器集成光源成為了光纖通信的第一選擇。

五、波長(zhǎng)可選擇光源

踏入新世紀(jì)以后，我國(guó)在科學(xué)技術(shù)上有一個(gè)快速的發(fā)展期，在集成光源方面的條件越來(lái)越嚴(yán)格，我們現(xiàn)在集成光源的各項(xiàng)鉆研的方向已經(jīng)慢慢地朝著波長(zhǎng)可以選擇的方向發(fā)展。

激光器的波長(zhǎng)我們可以通過(guò)一些手段來(lái)使波長(zhǎng)可以協(xié)調(diào)，通過(guò)研究我們知道，波長(zhǎng)調(diào)諧主要存在于布拉格反光柵中，我們可以通過(guò)一些技術(shù)來(lái)使布拉格反光柵的折射率改變，從而我們能夠按照我們的需要來(lái)改變布拉格反光柵的波長(zhǎng)。我們目前所知的，雖然這種半導(dǎo)體激光器有著優(yōu)良的特點(diǎn)，但是它的作用范圍很窄，從而達(dá)不到我們的需求。我國(guó)比較的完善的諧調(diào)器主要是根據(jù)分布布拉格反射器半導(dǎo)體激光器來(lái)的。

這種半導(dǎo)體激光器因?yàn)樗鼘?shí)現(xiàn)諧調(diào)的原理，所以出現(xiàn)了很大的譜線(xiàn)展寬。這種半導(dǎo)體激光器需要多個(gè)電極電流才能協(xié)調(diào)好，所以這種半導(dǎo)體激光器的模式不是特別的穩(wěn)定，從而出現(xiàn)了很多的問(wèn)題，從而沒(méi)能達(dá)到我們的需要。同時(shí)也導(dǎo)致了近些年來(lái)各個(gè)國(guó)家對(duì)于這種半導(dǎo)體激光器的研究力度有所下降。有研究人員嘗試將幾個(gè)不同波長(zhǎng)的這種半導(dǎo)體激光器結(jié)合起來(lái)，根據(jù)它的自身的特點(diǎn)來(lái)形成一個(gè)可以控制波長(zhǎng)集成光源。最近的一項(xiàng)研究顯示，研究人員選擇很多個(gè)不同波長(zhǎng)來(lái)形成一個(gè)集成光源的這種半導(dǎo)體激光器。最終形成了一個(gè)對(duì)這么多個(gè)不同波長(zhǎng)進(jìn)行結(jié)合和消耗。

六、垂直腔面發(fā)射激光器

我們?cè)谏衔闹兴v的激光器都是一邊發(fā)射激光器，通過(guò)字面意思我們可以了解其實(shí)就是激光通過(guò)一個(gè)邊進(jìn)行輸出，這些發(fā)射激光器難以進(jìn)行二維的集成，一般都是一維的集成。并且，我們知道二維的集成器件就是我們所熟知的光。數(shù)據(jù)的傳輸?shù)谋匾獥l件，所以垂直腔面發(fā)射激光器就成為最好的選擇了。與邊發(fā)射器不同的是，垂直腔面發(fā)射激光器的出射光線(xiàn)是平行于外延生長(zhǎng)的方向的。

這種激光器在原理上和側(cè)面發(fā)光激光器相比有很多優(yōu)勢(shì)：這種激光器有源區(qū)體積小，所以閾值電流極小；采用分布反饋半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)單模工作；有源區(qū)內(nèi)置所以使用壽命很長(zhǎng)；光束的質(zhì)量高，容易耦合；可以在片測(cè)試，極大降低成本等等。另外，最吸引人的一點(diǎn)是，這種激光器的制造可以很好的結(jié)合發(fā)光二極管，通過(guò)這樣我們可以大規(guī)模的生產(chǎn)從而是我們的成本降到最低。容易進(jìn)行二維集成并且可以在片測(cè)試，很多該行業(yè)的專(zhuān)家都預(yù)言，這種激光器將會(huì)在不久的將來(lái)廣泛應(yīng)用于很多方面，未來(lái)的發(fā)展非常的廣闊。

七、結(jié)語(yǔ)

本文介紹了目前在光纖通信系統(tǒng)領(lǐng)域中幾種比較典型的光源，這些光源都有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在自己的領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用，它們共同組成了光纖通信的基礎(chǔ)，推動(dòng)光纖通信行業(yè)向前快速發(fā)展。進(jìn)入新世紀(jì)以后，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)的光電子產(chǎn)業(yè)技術(shù)也快速進(jìn)步，我國(guó)相當(dāng)非常重視光電子產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，并且給出了相當(dāng)大的扶持力度，在經(jīng)過(guò)十幾年的高速發(fā)展，現(xiàn)在光電子產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初具規(guī)模，但是對(duì)一些基礎(chǔ)和核心器件的研發(fā)力度還有待加強(qiáng)。因此，我們國(guó)家需要繼續(xù)加快一些基礎(chǔ)和核心器件的研發(fā)力度，從而是我們國(guó)家在光電子產(chǎn)業(yè)上有一個(gè)更加長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。目前全球都在大力發(fā)展光通信行業(yè)，大量開(kāi)發(fā)各個(gè)層次的光電子基礎(chǔ)器件，可以說(shuō)光纖通信系統(tǒng)行業(yè)正面臨著一個(gè)絕佳的發(fā)展時(shí)期，我們應(yīng)該把握好這個(gè)機(jī)會(huì)，我相信這方面未來(lái)的發(fā)展前景一片廣闊。